MEMS傳感器現(xiàn)狀及應(yīng)用8頁

1、s在此處鍵入畢業(yè)設(shè)計指導(dǎo) 山西大學(xué)本科論文 MEMS傳感器現(xiàn)狀及應(yīng)用MEMS傳感器現(xiàn)狀及應(yīng)用摘要: MEMS傳感器種類繁多,發(fā)展迅猛,應(yīng)用廣泛。首先,簡單介紹了MEMS傳感器的分類和典型應(yīng)用。其次,對MEMS壓力傳感器、加速度計和陀螺儀三種最典型的MEMS傳感器進(jìn)行了詳細(xì)闡述,包括類別、技術(shù)現(xiàn)狀和性能指標(biāo)、最新研究進(jìn)展、產(chǎn)品,及應(yīng)用情況。介紹MEMS壓力傳感器時,給出了國內(nèi)外采用新型材料制作用于極端環(huán)境下壓力傳感器的研究情況。最后,從新材料、加工和組裝技術(shù)方面對MEMS傳感器的發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望。關(guān)鍵詞: 微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS);傳感器;加速度計;陀螺儀;壓力傳感器Current Stat

2、us and Applications of MEMS SensorsAbstract: MEMS sensors feature great varieties, rapid development and wide applications. Firstly,the categories and typical applications of MEMS sensors are introduced briefly. Then three typi-cal MEMS sensors, i. e. the pressure sensor, accelerometer and gyroscope

3、 are illustrated in de-tail,including the subdivision, current technical capability and performance index, latest researchprogress, products and their applications. Besides that, the research status of the MEMS pres-sure sensor using new materials for the extreme environment at home and abroad is pr

4、esented.Finally, development trends of MEMS sensors are predicted in terms of new materials, proces-sing and assembling technology.Key words: microelectromechanical system(MEMS); sensor; accelerometer; gyroscope; pres-sure sensor4本科論文 MEMS傳感器現(xiàn)狀及應(yīng)用目錄引言11 MEMS傳感器分類及典型應(yīng)用11.1 MEMS傳感器分類11.2 MEMS傳感器應(yīng)用11.2

5、.1 微機(jī)械壓力傳感器11.2.2 微加速度傳感器21.2.3微機(jī)械陀螺22 MEMS 傳感器的發(fā)展22.1緩慢成長期22.2緩慢成長期22.3快速成長期33 MEMS傳感器的發(fā)展趨勢34總結(jié)3參考文獻(xiàn)3III引言MEMS傳感器是采用微電子和微機(jī)械加工技術(shù)制造出來的新型傳感器。與傳統(tǒng)的傳感器相比，它具有體積小、重量輕、成本低、功耗低、可靠性高、適于量化生產(chǎn)、易于集成和實現(xiàn)智能化的特點。同時，在微米量級的特征尺寸使得它可以完成某些傳統(tǒng)機(jī)械傳感器所不能實現(xiàn)的功能。第一個微型傳感器誕生于1962 年，至此開啟了MEMS 技 術(shù) 的 先河1。此后，MEMS 傳感器作為 MEMS 技術(shù)的重要分支發(fā)展速度

6、最快，長期受到美、日、英、俄等世界大國的高度重視，各國紛紛將 MEMS 傳感器技術(shù)作為戰(zhàn)略性技術(shù)領(lǐng)域之一，投入巨資進(jìn)行專項研究。隨著微電子技術(shù)、集成電路和加工工藝的發(fā)展，傳感器的微型、智能化、網(wǎng)絡(luò)化和多功能化得到快速發(fā)展，MEMS 傳感器逐步取代傳統(tǒng)的機(jī)械傳感器，占據(jù)傳感器主導(dǎo)地位，并在消費(fèi)電子、汽車工業(yè)、航空航天、機(jī)械、化工、醫(yī)藥、生物等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用Error! Picture switch must be first formatting switch.Error! Picture switch must be first formatting switch.。本文首先介紹了MEMS

7、傳感器的產(chǎn)品分類和典型應(yīng)用。其次,從最新產(chǎn)品及應(yīng)用等方面詳細(xì)闡述了MEMS壓力傳感器、加速度計和陀螺儀的研究現(xiàn)狀。最后,對MEMS傳感器發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望。1 MEMS傳感器分類及典型應(yīng)用1.1 MEMS傳感器分類MEMS傳感器的門類品種繁多,分類方法也很多。按其工作原理,可分為物理型、化學(xué)型和生物型三類7。按照被測的量又可分為加速度、角速度、壓力、位移、流量、電量、磁場、紅外、溫度、氣體成分濕度、pH值、離子濃度、生物濃度及觸覺等類型的傳感器。MEMS傳感器不僅種類繁多,而且用途廣泛。作為獲取信息的關(guān)鍵器件, MEMS傳感器對各種傳感裝備的微型化發(fā)展起著巨大的推動作用,已在太空衛(wèi)星、運(yùn)載火箭

8、,航空航天設(shè)備、飛機(jī)、各種車輛、生物醫(yī)學(xué)及消費(fèi)電子產(chǎn)品等領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。制造技術(shù)的日益精進(jìn)使MEMS傳感器的參數(shù)指標(biāo)和性能不斷提高,與多種學(xué)科的交叉融合又使傳感器不斷推陳出新,應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬。1.2 MEMS傳感器應(yīng)用1.2.1 微機(jī)械壓力傳感器微機(jī)械壓力傳感器是最早開始研制的微機(jī)械產(chǎn)品，也是微機(jī)械技術(shù)中最成熟、最早開始產(chǎn)業(yè)化的產(chǎn)品。從信號檢測方式來看，微機(jī)械壓力傳感器分為壓阻式和電容式兩類，分別以體微機(jī)械加工技術(shù)和犧牲層技術(shù)為基礎(chǔ)制造。從敏感膜結(jié)構(gòu)來看，有圓形、方形、矩形、E形等多種結(jié)構(gòu)。MEMS壓力傳感器可用于汽車工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)及工業(yè)控制等領(lǐng)域。汽車工業(yè)采用各種壓力傳感器測量氣囊

9、壓力、燃油壓力、發(fā)動機(jī)機(jī)油壓力8、進(jìn)氣管道壓力及輪胎壓力9。在生物和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,壓力傳感器可用于診斷和檢測系統(tǒng)以及顱內(nèi)壓力檢測系統(tǒng)等。在航天領(lǐng)域, MEMS壓力傳感器可用于宇宙飛船和航天飛行器的姿態(tài)控制、高速飛行器、噴氣發(fā)動機(jī)、火箭、衛(wèi)星等耐熱腔體和表面各部分壓力的測量。1.2.2 微加速度傳感器 硅微加速度傳感器是繼微壓力傳感器之后第二個進(jìn)入市場的微機(jī)械傳感器。其主要類型有壓阻式、電容式、力平衡式和諧振式。其中最具有吸引力的是力平衡加速度計，其典型產(chǎn)品是Kuehnel等人在1994年報道的AGXL50型。 國內(nèi)在微加速度傳感器的研制方面也作了大量的工作，如西安電子科技大學(xué)研制的壓阻式微加速度傳

10、感器和清華大學(xué)微電子所開發(fā)的諧振式微加速度傳感器。后者采用電阻熱激勵、壓阻電橋檢測的方式，其敏感結(jié)構(gòu)為高度對稱的4角支撐質(zhì)量塊形式，在質(zhì)量塊4邊與支撐框架之間制作了4個諧振梁用于信號檢測。 MEMS加速度計可用于消費(fèi)電子產(chǎn)品,如Thinkpad筆記本電腦采用MEMS加速度計防止振動引起的硬盤損壞使信息丟失。MEMS加速度計還可用于汽車的安全氣囊系統(tǒng)、防滑系統(tǒng)、ABS系統(tǒng)、導(dǎo)系統(tǒng)和防盜系統(tǒng)。MEMS加速度計在醫(yī)療保健、航空航天等方面也有用武之地,如計步器利用三軸MEMS傳感器實現(xiàn)健身和健康監(jiān)測功能。1.2.3微機(jī)械陀螺角速度一般是用陀螺儀來進(jìn)行測量的。傳統(tǒng)的陀螺儀是利用高速轉(zhuǎn)動的物體具有保持其角

11、動量的特性來測量角速度的。MEMS陀螺儀相比傳統(tǒng)的陀螺儀具有體積小、重量輕、可靠性高、功耗低、易于數(shù)字化和智能化等一系列優(yōu)點。MEMS陀螺儀已在航空、航天、航海、汽車、生物醫(yī)學(xué)和環(huán)境監(jiān)控等領(lǐng)域得到了應(yīng)用。MEMS陀螺儀可為各種消費(fèi)類電子產(chǎn)品,如手機(jī)、照/攝相機(jī)增值,增加圖像穩(wěn)定性、提供步行導(dǎo)航并改進(jìn)用戶界面。MEMS陀螺儀的研究主要集中于汽車和導(dǎo)航級應(yīng)用,在汽車工業(yè)中可用于GPS導(dǎo)航、汽車底盤控制系統(tǒng)和安全制動系統(tǒng)。此外,微型低功率導(dǎo)航集成微陀螺可滿足小型平臺,包括微型無人機(jī)、水下無人潛航器和微型機(jī)器人進(jìn)行無GPS導(dǎo)航的技術(shù)要求Error! Picture switch must be fir

12、st formatting switch.-Error! Picture switch must be first formatting switch.。2 MEMS 傳感器的發(fā)展從現(xiàn)有文獻(xiàn)Error! Picture switch must be first formatting switch.Error! Picture switch must be first formatting switch.中可看出，MEMS 技術(shù)雖然起始于 20 世紀(jì) 60 年代但在 2000 年以前技術(shù)發(fā)展較為緩慢。從上世紀(jì)末和本世紀(jì)初開始，隨著第三次行業(yè)化浪潮的推動，MEMS 技術(shù)的相關(guān)專利數(shù)量快速增加，ME

13、MS 傳感器的發(fā)展亦是如此。2.1緩慢成長期 2000 2006 年是 MEMS 傳感器緩慢發(fā)展的階段，這一階段 MEMS 傳感器主要的應(yīng)用領(lǐng)域為汽車工業(yè)，其次在生物、化工等領(lǐng)域的應(yīng)用也逐步增加。力學(xué)傳感器的專利數(shù)量最多，其次為熱學(xué)傳感器，磁學(xué)傳感器位于第三，即這一時期 MEMS 傳感器主要的測量對象為加速度、壓力、位移、溫度、磁場等。2.2緩慢成長期2007 2010 年是 MEMS 傳感器技術(shù)的穩(wěn)定發(fā)展期，每年的專利數(shù)量變化較小.力學(xué)傳感器和熱學(xué)傳感器依然處于前兩位，電學(xué)傳感器和光學(xué)傳感器超越磁學(xué)傳感器，位于熱學(xué)傳感器之后，即這一時期 MEMS 傳感器的測量對象除加速度、壓力、位移、溫度外

14、，還有電量、電流、電場、紅外、激光等。磁學(xué)傳感器的專利數(shù)量較上一階段有所減少。2.3快速成長期在經(jīng)過幾年的平穩(wěn)發(fā)展后，由于消費(fèi)電子、航空航天、生物醫(yī)療市場對 MEMS 傳感器需求的不斷擴(kuò)大，物聯(lián)網(wǎng)的興起，汽車工業(yè)的持續(xù)需求，以及以中國為代表的新興的研發(fā)地區(qū)快速崛起，MEMS傳感器技術(shù)進(jìn)入快速發(fā)展期，從 2011 年開始專利數(shù)量出現(xiàn)明顯上升，隨后上升速度逐年增加。3 MEMS傳感器的發(fā)展趨勢進(jìn)入21世紀(jì)以來,在市場引導(dǎo)、科技推動、風(fēng)險投資和政府介入等多重作用下, MEMS傳感器技術(shù)發(fā)展迅速,新原理、新材料和新技術(shù)的研究不斷深入, MEMS傳感器的新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)。目前, MEMS傳感器正向高精度、

15、高可靠性、多功能集成化、智能化、微型化和微功耗方向發(fā)展。MEMS傳感器一直是研究的熱點和重點,是各國大力發(fā)展的核心和前沿技術(shù),引起了各國研究機(jī)構(gòu)、大學(xué)和公司的高度重視,歐美和日本等國顯示出了明顯的領(lǐng)先優(yōu)勢。國內(nèi)的一些高校和研究機(jī)構(gòu)已著手MEMS傳感器技術(shù)的開發(fā)和研究,但在靈敏度、可靠性及新技術(shù)能力提升方面與國外相比還存在較大差距。許多MEMS傳感器品種尚未具備批量生產(chǎn)的能力,離產(chǎn)品的實用化和產(chǎn)業(yè)化還很遠(yuǎn),有待于進(jìn)一步提高和完善。4總結(jié)中國在 MEMS 傳感器領(lǐng)域的研究較晚，但目前已經(jīng)成為不可或缺的力量，中國的部分專利權(quán)的創(chuàng)新主體協(xié)同格局前提下，加大政府科技資金投入不但可以消解技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展中的資

16、金阻滯，又有助于引導(dǎo)企業(yè)或單位技術(shù)創(chuàng)新意識，從而提高我國創(chuàng)新驅(qū)動效率，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)快速而穩(wěn)健的發(fā)展。參考文獻(xiàn)：1 王淑華MEMS 傳感器現(xiàn)狀及應(yīng)用J 微納電子技術(shù)，2011，48 ( 8) : 516 5222 韓穎MEMS 航空微時代J 航空兵器，2013 ( 5) : 18 213 WERNER M R，F(xiàn)AHRNER W R. Review on materials，microsen-sors，systems，and devices for high temperature and harsh environ-mentapplicatioJ IEEE Transaction on elect

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